Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse porte sur l’analyse morphodynamique et sédimentaire des méandres du Cher (affluent de rive gauche de la Loire moyenne). L’intérêt pour cette question est né d’un double constat. Le premier était celui d’un manque patent de connaissances sur le fonctionnement géomorphologique des affluents de la Loire en général et du Cher en particulier. Le second se rapportait à la coexistence en apparence contradictoire d’une faible mobilité en plan depuis le début du XIXe siècle et d’une érosion latérale active au cours des trois dernières décennies, au minimum. L’objectif était à la fois de combler une partie de ce déficit de connaissances, afin notamment d’améliorer les pratiques de gestion de la rivière, et de caractériser le plus finement possible le comportement a priori atypique de ces systèmes à méandres, afin d’en comprendre la dynamique. Cette étude aura permis de mettre en évidence que depuis 1950, mais aussi probablement depuis 1830, la faible mobilité du tracé de la rivière relève essentiellement des contraintes exercées par les aménagements présents dans le lit mineur. En outre, ces méandres disposent encore aujourd’hui d’une très forte capacité intrinsèque à balayer leur plaine alluviale. La fréquence de mobilisation de la charge de fond est également élevée. Enfin, la morphogénèse est principalement commandée par les évènements hydrologiques de faible magnitude. Ces résultats sont de première importance pour les gestionnaires puisqu’ils indiquent que les dysfonctionnements qui affectent actuellement cet hydrosystème ne sont pas totalement irréversibles. / This thesis is dedicated to the morphodynamics and sedimentary analysis of the Cher River meanders (left bank tributary of the Middle Loire River). Two main points explain the present study. First, there is a general lack of knowledge concerning the geomorphological functioning of the Loire River tributaries, especially on the Cher River. Second, there is an apparent contradiction between the low mobility of the fluvial land forms since the early 19th century and active lateral erosion observed over the past three decades at least. In comparison with the Loire and its tributaries, the specificity of the Cher River lies in a meandering pattern that is both old and spatially extended. This research also directly concerns the current management issues of the Cher and the Loire River. These issues relate mainly to the maintenance or restoration of alluvial landscapes and to the refill of the bed with coarse sediments. The main objective of the thesis was both to fill a part of this knowledge gap and to characterize as fully as possible the atypical behavior of this meandering system in order to understand its dynamics. The various investigations conducted have focused on the middle valley of the Cher River, upstream of the channelized section, and more specifically on three distinct reaches. They were designed to validate two explanatory hypotheses that are not mutually exclusive of each other; the two hypotheses were initially set out to explain the stability of the meander planforms. The first hypothesis postulated that the migration of meanders was inhibited by the presence of bank protections. The second is related to a decrease in the frequency and / or intensity of hydrological morphogenic events since the 19th century. Our analysis is based on two complementary approaches. Firstly, we undertook the reconstruction of the evolutionary trajectory of these meanders at a historical timescale (period 1830-2005) and we investigated the causes of the observed changes. Secondly, we examined more specifically the relationships between morphogenesis and bedload transport at time scalesspanning from the hydrological event to a few decades (last 25-70 years). This study demonstrates that since 1950, but probably also since 1830, the low meander mobility, essentially results from engineering works in the bed. Further, the meanders still have a very high intrinsic ability to erode the alluvial plain. The frequency of bedload mobilization is also high. Finally, morphogenesis in the system is mainly controlled by low magnitude hydrological events. These results are of primary importance for river managers because they highlight the reversibility of the current hydrosystem degradation.

Un protocole d'échantillonnage des macroinvertébrés benthiques indicateurs de la qualité des cours d'eau a été mis en place sur le site atelier Allier et un linéaire de la Loire amont. Celui-ci a permis de désigner les unités géomorphologiques seuil comme meilleur lieu d'échantillonnage. Comparativement aux méthodes existant dans divers pays, le protocole MMS-GUR (Macroinvertebrates living in the Mineral Substrates of the Geomorphological Unit Rifle) présente les avantages suivants : 1) Facilité de repérage des seuils et meilleure accessibilité que les autres géoformes. 2) Aire d'échantillonnage réduite. 3) Echantillonnage de surfaces identiques grâce à l'utilisation du filet Surber. 4) Protocole applicable de la source à la disparition des seuils. 5) Gain de temps répercuté sur le coût tant sur le terrain qu'en laboratoire (détermination au genre, mais réduction possible aux EPT) . 6) Possibilité de comparer un ensemble de rivières dans des conditions analogues.

L'érosion fluviatile par abrasion joue un rôle prépondérant dans l'évolution du paysage, notamment en contexte orogénique dans les rivières à fond rocheux. Le but de cette thèse est de démontrer qu'une étude intégrée des processus d'abrasion (petite échelle et courte période se temps) est possible sur le terrain à condition de bien contraindre « l'environnement érosif », c'est-à-dire : (1) les caractéristiques des flux d'eau (fréquence des crues, modélisation des écoulement dans le chenal) et des flux de sédiment (volume de sédiments transporté, granulométrie) ; (2) la résistance mécanique à l'érosion des roches du substrat. L'autre point essentiel est naturellement la mesure de l'érosion in situ qui nécessite la conception d'outils originaux. <br />Au travers des plis de l'avant pays himalayen que nous avons choisis comme « laboratoire naturel », dans les Siwaliks du Népal Central, l'abrasion fluviatile annuelle a atteint localement plusieurs millimètres voire dizaines de millimètres en 2006. Nous proposons un modèle simple intégrant les caractéristiques des flux et les l'érodabilités des roches permettant de reproduire assez fidèlement les valeurs d'érosion mesurées sur le terrain (à l'échelle d'une section de chenal). Ce mémoire est également l'occasion d'avancées méthodologiques, notamment sur la mesure indirecte de la charge de fond (granulométrie sur image des séries conglomératiques, désagrégation des grès) et sur la mesure de « l'érodabilité » des roches directement sur le terrain grâce au rebond du marteau de Schmidt. Nous présentons enfin de nouveaux dispositifs autonomes de mesure en continu dont un « capteur d'érosion » très prometteur.

L'érosion, au même titre que la tectonique et le climat, est un acteur majeur de l'évolution des paysages. En effet dans les zones non-englacées, les rivières sont responsables de l'essentiel de l'érosion et du transport de masse à la surface de la Terre, qui sont des processus clés dans la dynamique orogénique. La mise en mouvement des matériaux constituant la charge de fond des rivières (sables, galets...) est sans doute un des principaux agents de transport et d'incision fluviale. Malgré le rôle prépondérant de la charge de fond, aucune méthode n'est totalement satisfaisante pour sa quantification. Les nombreuses stratégies actuellement employées nécessitent une installation in situ (dans les rivières) des dispositifs de mesures, qui ne peuvent être mis en œuvre que ponctuellement pour des conditions hydrodynamiques faibles à modérés. Cette limitation est problématique car l'essentiel de la charge de fond est mobilisée lors d'événements extrêmes. Une meilleure compréhension des processus d'érosion fluviale implique donc le développement d'un outil autorisant un suivi temporel continu avec une large couverture spatiale. Cette thèse explore le potentiel offert par la mesure et l'analyse du bruit de fond sismique produit par les rivières. À partir des données acquises au cours de l'expérience sismologique Hi-CLIMB, le potentiel d'une telle approche est testé le long de la rivière trans-himalayenne Trisuli (pour des sismomètres installés jusqu'à 2 km de la rivière). Pendant la mousson 2003, l'analyse spectrale des signaux continus montre une augmentation de plus de 20 dB et une cohérence entre la variation temporelle du bruit sismique dans la gamme en fréquence 3-15 Hz avec l'évolution temporelle des paramètres hydrologiques. En particulier, l'observation d'une hystérésis annuelle entre la hauteur d'eau et l'amplitude du bruit sismique prouve que la turbulence de l'eau n'est pas l'unique source de bruit et confirme la signature des mouvements de la charge de fond dans le signal sismologique. En appliquant des techniques basées sur la corrélation de bruit sismique entre paires de stations, et à l'aide de modélisations numériques, nous montrons également que ce transport solide se localise préférentiellement au front de la Haute-Chaîne, là où les taux d'incision sont élevés. Enfin, l'analyse spectrale révèle également un intérêt pour la détection et la localisation des processus de pente, nombreux en Himalaya (46 coulées de débris observées le long de la Trisuli pendant la saison des pluies 2003). Cette étude ouvre la voix d'une nouvelle approche permettant le suivi spatio-temporel de ces phénomènes et l'estimation des volumes érodés qui alimentent les rivières en sédiments. Afin d'explorer le domaine d'application de cette approche, le suivi sismique d'un torrent de montagne ayant une capacité de transport plus réduite a été réalisé dans le Massif des Écrins. Le traitement des données sismologiques et hydrologiques acquises durant les étés 2007 et 2008 met en évidence des corrélations entre la variation temporelle des débits liquides, solides et celles du niveau de bruit à haute-fréquence (2-90 Hz). Il apparaît que pour ce type de rivière les sismomètres doivent être installés à des distances de la rivière inférieures à 50 m pour détecter le signal généré par les fractions les plus fines de grains en mouvement. Un éloignement supérieur diminuera l'aptitude à les détecter. Cette dernière étude a mis en évidence la nécessité d'effectuer des expériences de calibration sur le terrain et en laboratoire. Partiellement initiée durant cette thèse, la calibration doit permettre de mieux exploiter la richesse du signal sismologique. À l'avenir, la recherche d'un site naturel, où les suivis hydrologiques et géomorphologiques denses sont effectués, est nécessaire pour calibrer un outil permettant de quantifier le transport de la charge de fond dans les rivières

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements. / The overarching objective in fluvial geomorphology is to explain river morphology and its temporal and spatial evolution. The multiplication of studies led to the realization that geomorphic systems are complex and difficult to understand. The observed river morphology is more than the sum of the individual processes which govern them because of the superimposition of process interactions and non-linear feedback loops at multiple scales. In this context, the goal of this thesis is to explore new avenues of research in order to comprehend more accurately the complexity of gravel-bed river dynamics by using methodological and analytical approaches focusing on the interactions between the flow, transport of sediments as bedload and the bed morphology. This orientation of the thesis is in line with the fact that current paradigms in fluvial geomorphology have not succeeded in explaining adequately the natural variability of the sediment transport and its consequences on the river bedforms. Five avenues are developed in the form of articles based on case studies: 1. The study of the scales of variation of the flow allows us to integrate the turbulent flow structures into flow pulsations at larger scales and to potentially improve our understanding comprehension of bedload sediment transport variability. 2. The quantification of the rates of change of the flow magnitude (acceleration /deceleration) during a flood explains as much the variability of bedload transport fluxes as the flow intensity itself. 3. The use of complementary measurement techniques of bedload processes can reveal new river bed dynamics in gravel-bed rivers: the dilation and contraction of the bed resulting from a flood. 4. The investigation of the generally accepted fact that bedload sediment transport is correlated with the intensity of the morphological changes reveals that the two processes do not relate directly due to their different characteristic scales. 5. The systemic approach of river dynamics based on the use of multivariate analytical techniques is better suited for the study of complex linear and non-linear interactions and feedbacks in the evolution of a river channel. This analysis has shown the importance of the recent history of the morphological changes in response to a flood. The conceptual orientation of this thesis results from a deep reflection on the traditional approaches previously used for several decades in fluvial geomorphology. It is based on a single very extensive data set collected during 21 flood events in a small gravel-bed river, Béard creek (Quebec). The experimental protocol aimed at the simultaneity of processes measurements in order to focus the analysis on the interactions between the flow, the channel morphology and the bedload sediment transport rather than on the individual processes, an approach seldom used in fluvial geomorphology. Each chapter reports on a new concept or a new approach making it possible to resolve some of the issues met in fluvial geomorphology. This work has important implications for the understanding of river bed dynamics and fluvial habitats and is a starting point for new developments.

Les mosaïques de paysages dessinées par les cours d’eau sont le fruit de fonctionnements complexes. Ces fonctionnements sont appréhendés à divers échelles spatio-temporelles (e.g, bassin versant, secteurs fonctionnels, macroformes alluviales ou particules sédimentaires) décrites au sein du concept de système fluvial. Le fonctionnement des systèmes fluviaux s’établissent autour d’équilibres sédimentaires mettant en balance les flux liquides et solides. C’est pourquoi, l’état géomorphologique des cours d’eau à charge sédimentaire graveleuse peut être décrit au travers d’un prisme sédimentaire par l’observation de tendances générales à large échelles, de phénomènes plus ou moins localisés tels que l’incision, l’engravement, la migration des formes sédimentaires ou des modifications des propriétés géométriques des particules constituant la charge sédimentaire. Ainsi, la meilleure connaissance du rôle des flux sédimentaires actuels et passés dans l’état géomorphologique pour la prédiction des trajectoires hydrosédimentaires des cours, répond à des objectifs à la fois écologiques (la perméabilité de la nappe d’alluvions et de la zone hyporhéique exercent des fonctions auto-épuratrices (Datry et al., 2008), la faune benthique est la base de la chaîne alimentaire des écosystèmes fluviaux), politiques (liés à la gestion des risques d’inondation et d’érosion des terres ou d’ouvrages d’ingénierie) ou encore philosophiques (quel fonctionnement de référence pour quel système fluvial ? Quelle implication et quel rôle pour l’Homme dans le fonctionnement de ces systèmes anthropisés à divers degrés ?). Aussi, le développement d’outils et de méthodologie(s) pour la caractérisation des flux sédimentaires ou des processus observés en rivières constitue un axe de recherche important en constante émulsion. Les recherches que nous avons engagés sont articulées autour de trois axes interdépendants : (1) les propriétés physiques des particules sédimentaires, (2) leur mobilité et (3) leur transformation par abrasion. Dans le cadre de ce typique, nous avons cherché à lever le doute subsistant concernant le rôle de la fracturation de traceurs naturels (calcaires) équipés de transpondeurs passifs basses fréquences (PIT-tag) et à tester l’intérêt de l’utilisation de galets synthétiques pour la conception de nouveaux traceurs équipés de transpondeurs actifs ultra hautes fréquences (a-UHF). Nous avons ensuite testé le potentiel de ces transpondeurs (a-UHF), dont les caractéristiques d’émission sont mieux adaptées que celles des PIT-tag à l’étude du fonctionnement des macroformes fluviale à l’échelle de tronçons fonctionnels, puis avons développé une méthodologie de recherche en rivière spécifique à ces nouveaux traceurs. Par ailleurs, Nous avons testé la sensibilité à divers paramètres d’entrée d’un programme de calcul d’émoussé de particules sédimentaires grossières, en avons validé son intérêt pour l’analyse (1) des relations entre évolution des indices d’émoussé et abrasion de la masse sédimentaire et (2) du fonctionnement hydrosédimentaire d’un bassin versant et avons formulé les recommandations nécessaires de respecter pour sa bonne utilisation. Enfin, nous avons cherché à comparer les influences respectives de la densité et de la forme des particules sédimentaires pendant leur transport par charriage. Ces résultats soulignent l’influence au moins aussi grande de la forme comparée à la mobilité, sur le déplacement des particules sédimentaires. / The influence of fluvial systems dynamics on riverine landscape patterns is the consequence of complex ecosystem dynamics. These driving factors can be analysed at different spatiotemporal scales of the fluvial system (for example: river basin, functional units, alluvial megaforms or sedimentary particles). The dynamic of fluvial systems depends on the equilibrium between solid and liquid fluids. For this reason, the geomorphological status of watercourses can be described from a sedimentary perspective taking into account general trends at large scale, local characteristics such as incision, aggradation, sedimentary migration or the alteration of particles’ geometrical properties that constitute bed load. Thus, a better understanding of the influence of past and present sedimentary flows on the geomorphological status of watercourses has at the same time an ecological impact (permeability of both the alluvial layer and the hyporheic zone and its self-filtration function (Datry et al., 2008)), a political impact (related to flood management, erosion risks and issues or hydraulic facilities) or even a philosophical issue (what is the appropriate reference for what fluvial system? What is the role of Humanity on these anthropized environments and at what extent?).Thus, the development of methodological tools to characterize sedimentary flows or the observed dynamics on rivers, is considered a major and rising research issue. The research studies described in this thesis are structured in three distinct topics: (1) physical properties of sedimentary particles; (2) their mobility; (3) their transformation as a consequence of abrasion.In this context, we have analysed the relationship between breakage and low recovery rates for natural tracers (limestone pebbles) equipped with low frequency passive transponders (PIT-tag). In addition, we have tested the use of synthetic pebbles to create new tracers equipped with high frequency active transponders (a-UHF), more performant than PIT-tags. Secondly, we have developed a new search and location field methodology specially, adapted to these new transponders. Thirdly, we have tested the sensibility of the toolbox developed by Roussillon et al. (2009), design to measure the roundness of coarse sedimentary particles, to different entry parameters. We have confirmed its interest to (1) analyse the relationship between particles normalized abrasion and its roundness trends; (2) analyse the hydrosedimentary dynamics at a river basin scale. We have included several recommendations to apply this toolbox in the appropriate conditions. Finally, we have performed a comparative analysis between particles’ density and shape and its influence on bedrock transport. These results highlight the significant influence of shape on travelled distance in comparison with density.

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements. / The overarching objective in fluvial geomorphology is to explain river morphology and its temporal and spatial evolution. The multiplication of studies led to the realization that geomorphic systems are complex and difficult to understand. The observed river morphology is more than the sum of the individual processes which govern them because of the superimposition of process interactions and non-linear feedback loops at multiple scales. In this context, the goal of this thesis is to explore new avenues of research in order to comprehend more accurately the complexity of gravel-bed river dynamics by using methodological and analytical approaches focusing on the interactions between the flow, transport of sediments as bedload and the bed morphology. This orientation of the thesis is in line with the fact that current paradigms in fluvial geomorphology have not succeeded in explaining adequately the natural variability of the sediment transport and its consequences on the river bedforms. Five avenues are developed in the form of articles based on case studies: 1. The study of the scales of variation of the flow allows us to integrate the turbulent flow structures into flow pulsations at larger scales and to potentially improve our understanding comprehension of bedload sediment transport variability. 2. The quantification of the rates of change of the flow magnitude (acceleration /deceleration) during a flood explains as much the variability of bedload transport fluxes as the flow intensity itself. 3. The use of complementary measurement techniques of bedload processes can reveal new river bed dynamics in gravel-bed rivers: the dilation and contraction of the bed resulting from a flood. 4. The investigation of the generally accepted fact that bedload sediment transport is correlated with the intensity of the morphological changes reveals that the two processes do not relate directly due to their different characteristic scales. 5. The systemic approach of river dynamics based on the use of multivariate analytical techniques is better suited for the study of complex linear and non-linear interactions and feedbacks in the evolution of a river channel. This analysis has shown the importance of the recent history of the morphological changes in response to a flood. The conceptual orientation of this thesis results from a deep reflection on the traditional approaches previously used for several decades in fluvial geomorphology. It is based on a single very extensive data set collected during 21 flood events in a small gravel-bed river, Béard creek (Quebec). The experimental protocol aimed at the simultaneity of processes measurements in order to focus the analysis on the interactions between the flow, the channel morphology and the bedload sediment transport rather than on the individual processes, an approach seldom used in fluvial geomorphology. Each chapter reports on a new concept or a new approach making it possible to resolve some of the issues met in fluvial geomorphology. This work has important implications for the understanding of river bed dynamics and fluvial habitats and is a starting point for new developments.

En rivière à lit de graviers, le transport des sédiments en charge de fond est un processus intermittent qui dépend de plusieurs variables du système fluvial dont la prédiction est encore aujourd’hui inexacte. Les modèles disponibles pour prédire le transport par charriage utilisent des variables d’écoulement moyen et la turbulence n’est généralement pas considérée malgré que les tourbillons contenus dans les écoulements possèdent une quantité d’énergie importante. L’utilisation de nouvelles approches pour étudier la problématique du transport par charriage pourrait nous permettre d’améliorer notre connaissance de ce processus déterminant en rivière alluviale. Dans ce mémoire, nous documentons ces composantes de la dynamique fluviale dans un cours d’eau graveleux en période de crue. Les objectifs du projet de recherche sont : 1) d’examiner l’effet du débit sur les variables turbulentes et les caractéristiques des structures turbulentes cohérentes, 2) d’investiguer l’effet du débit sur les caractéristiques des événements de transport de sédiments individuels détectés à l’aide d’un nouvel algorithme développé et testé et 3) de relier les caractéristiques de l’écoulement turbulent aux événements de transport de sédiments individuels. Les données de turbulence montrent qu’à haut niveau d’eau, l’écoulement décéléré est peu cohérent et a une turbulence plus isotrope où les structures turbulentes cohérentes sont de courte durée. Ces observations se distinguent de celles faites à faible niveau d’eau, en écoulement accéléré, où la plus grande cohérence de l’écoulement correspond à ce qui est généralement observé dans les écoulements uniformes en rivières graveleuses. Les distributions de fréquence des variables associées aux événements de transport individuel (intensité de transport moyenne, durée d’événement et intervalle entre événements successifs) ont des formes différentes pour chaque intensité de crue. À haut niveau d’eau, le transport est moins intermittent qu’à faible débit où les événements rares caractérisent davantage les distributions. L’accélération de l’écoulement à petite échelle de temps joue un rôle positif sur le transport, mais surtout lorsque la magnitude de la crue mobilisatrice est en dessous du niveau plein bord. Les résultats de l’étude montrent que les caractéristiques de la turbulence ainsi que les liens complexes entre l’écoulement et le transport par charriage sont fonction du débit. / In gravel-bed rivers, bedload transport is an intermittent process related to many variables of the fluvial system whose prediction is still unreliable. Available models for prediction of bedload transport use mean hydraulics variables and generally do not consider turbulence even if coherent turbulent flow structures in rivers are highly energetic. New approaches to bedload transport investigation can shed light on this very important process in alluvial channels. In this thesis, we document these components of the fluvial system in a gravel-bed river during a flood. The objectives of the research are to: 1) investigate the effect of discharge on turbulent variables and turbulent coherent flow structures, 2) investigate the effect of discharge on bedload transport events statistics detected with a newly developed and tested algorithm and 3) link turbulent flow characteristics to individual bedload transport events. Turbulence data shows that at high water level, the decelerated flow has a low coherency and an isotropic turbulence where coherent turbulent flow structures have a short duration. These observations differ from those made at low water level where the accelerated flow corresponds to what is generally observed in uniform flows of gravelly channels. Frequency distributions of bedload transport events variables (mean bedload transport rate, event duration and time interval between successive bedload events) have different shapes for the two investigated flood intensity. At high water level, bedload transport is less intermittent that at low discharge where distributions are more characterised by rare events. Flow velocity acceleration on a short time scale has a positive effect on bedload transport, but mainly when the mobilizing flood is under bankfull stage. Results from the study show that turbulence properties and complex relationships between turbulence and bedload transport are a function of discharge.

Cette thèse examine les impacts sur la morphologie des tributaires du fleuve Saint-Laurent des changements dans leur débit et leur niveau de base engendrés par les changements climatiques prévus pour la période 2010–2099. Les tributaires sélectionnés (rivières Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François et Yamachiche) ont été choisis en raison de leurs différences de taille, de débit et de contexte morphologique. Non seulement ces tributaires subissent-ils un régime hydrologique modifié en raison des changements climatiques, mais leur niveau de base (niveau d’eau du fleuve Saint-Laurent) sera aussi affecté. Le modèle morphodynamique en une dimension (1D) SEDROUT, à l’origine développé pour des rivières graveleuses en mode d’aggradation, a été adapté pour le contexte spécifique des tributaires des basses-terres du Saint-Laurent afin de simuler des rivières sablonneuses avec un débit quotidien variable et des fluctuations du niveau d’eau à l’aval. Un module pour simuler le partage des sédiments autour d’îles a aussi été ajouté au modèle. Le modèle ainsi amélioré (SEDROUT4-M), qui a été testé à l’aide de simulations à petite échelle et avec les conditions actuelles d’écoulement et de transport de sédiments dans quatre tributaires du fleuve Saint-Laurent, peut maintenant simuler une gamme de problèmes morphodynamiques de rivières. Les changements d’élévation du lit et d’apport en sédiments au fleuve Saint-Laurent pour la période 2010–2099 ont été simulés avec SEDROUT4-M pour les rivières Batiscan, Richelieu et Saint-François pour toutes les combinaisons de sept régimes hydrologiques (conditions actuelles et celles prédites par trois modèles de climat globaux (MCG) et deux scénarios de gaz à effet de serre) et de trois scénarios de changements du niveau de base du fleuve Saint-Laurent (aucun changement, baisse graduelle, baisse abrupte). Les impacts sur l’apport de sédiments et l’élévation du lit diffèrent entre les MCG et semblent reliés au statut des cours d’eau (selon qu’ils soient en état d’aggradation, de dégradation ou d’équilibre), ce qui illustre l’importance d’examiner plusieurs rivières avec différents modèles climatiques afin d’établir des tendances dans les effets des changements climatiques. Malgré le fait que le débit journalier moyen et le débit annuel moyen demeurent près de leur valeur actuelle dans les trois scénarios de MCG, des changements importants dans les taux de transport de sédiments simulés pour chaque tributaire sont observés. Ceci est dû à l’impact important de fortes crues plus fréquentes dans un climat futur de même qu’à l’arrivée plus hâtive de la crue printanière, ce qui résulte en une variabilité accrue dans les taux de transport en charge de fond. Certaines complications avec l’approche de modélisation en 1D pour représenter la géométrie complexe des rivières Saint-Maurice et Saint-François suggèrent qu’une approche bi-dimensionnelle (2D) devrait être sérieusement considérée afin de simuler de façon plus exacte la répartition des débits aux bifurcations autour des îles. La rivière Saint-François est utilisée comme étude de cas pour le modèle 2D H2D2, qui performe bien d’un point de vue hydraulique, mais qui requiert des ajustements pour être en mesure de pleinement simuler les ajustements morphologiques des cours d’eau. / This thesis investigates the impacts of climate-induced changes in discharge and base level on the morphology of Saint-Lawrence River tributaries for the period 2010–2099. The selected tributaries (Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François and Yamachiche rivers) were chosen because of their differences in size, flow regime and morphological setting. Not only will these tributaries experience an altered hydrological regime as a consequence of climate change, but their base level (Saint-Lawrence River water level) will also change. A one-dimensional (1D) morphodynamic model (SEDROUT), originally developed for aggrading gravel-bed rivers, was adapted for the specific context of the Saint-Lawrence lowland tributaries in order to simulate sand-bed rivers with variable daily discharge and downstream water level fluctuations. A module to deal with sediment routing in channels with islands was also added to the model. The enhanced model (SEDROUT4-M), which was tested with small-scale simulations and present-day conditions in four tributaries of the Saint-Lawrence River, can now simulate a very wide range of river morphodynamic problems. Changes in bed elevation and bed-material delivery to the Saint-Lawrence River over the 2010–2099 period were simulated with SEDROUT4-M for the Batiscan, Richelieu and Saint-François rivers for all combinations of seven tributary hydrological regimes (present-day and those predicted using three global climate models (GCM) and two greenhouse gas emission scenarios) and three scenarios of how the base level provided by the Saint-Lawrence River will alter (no change, gradual decrease, step decrease). The effects on mean annual sediment delivery and bed elevation differ between GCM and seem to be related to whether the river is currently aggrading, degrading or in equilibrium, which highlights the importance of investigating several rivers using several climate models in order to determine trends in climate change impacts. Despite the fact that mean daily discharge and mean annual maximum discharge remain close to their current values in the three GCM scenarios for daily discharge, marked changes occur in the mean annual sediment transport rates in each simulated tributary. This is due to the important effect of more frequent large individual flood events under future climate as well as a shift of peak annual discharge from the spring towards the winter, which results in increased variability of bed-material transport rates. Some complications with the 1D modelling approach to capture the complex geometry of the Saint-Maurice and Saint-François rivers suggest that the use of a two-dimensional (2D) approach should be seriously considered to accurately simulate the discharge distribution at bifurcations around islands. The Saint-François River is used as a test case for the 2D model H2D2, which performs well from a hydraulics point of view but which needs to be adapted to fully simulate morphological adjustments in the channel.